无线传感器网络节点的硬件设计

无线传感器网络节点的硬件设计

王江涛 石建华 朱文博 孙舟

西安子国微科技有限公司 陕西省西安市 710077

摘要：网络信息化背景下，无线传感器网络逐渐深入到了各个行业当中，通过网络节点间的协同工作，对网络覆盖区域内的环境或者检测对象信息进行实时感知、采集和处理，并将采集到的信息处理后借助无线网络传送给监控者。现代物流业和交通运输业都是无线传感器网络应用的主要行业，通过无线通信技术、传感器技术和嵌入式技术之间的有效结合，推动了信息数据的交互和实时传输，为人们的生活和工作提供了便利。本文主要就无线传感器网络节点的硬件设计进行分析。

关键词：无线传感器；网络节点；测试平台；硬件设计

引言：

无线传感器网络节点硬件主要包括数据处理和控制模块、射频模块、电源模块、书记采集模块、无线通信模块等几部分，想要保证无线传感器的高效平稳运行，提升信息传输的效率，就需要做好相关网络节点的硬件设计工作。以双射频无线传感器网络节点硬件设计为例，将各个节点的硬件合理应用到各个领域当中，充分发挥出自身的实质性价值和作用，为无线传感器网络运行提供有力的保障，提高各个节点之间的通信效率。

1.双射频无线传感器网络节点结构分析

双射频无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是一种分布式传感网络，它的末梢可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，作为一项由无线通信技术将数以万计的传感器节点以自由式进行组织与结合形成的网络形式，无线传感器网络节点的构成单元分别为数据采集单元、数据传输单元、数据处理单元以及能量供应单元。通过网络节点之间的协调共作，无线传感器网络实现了数据的采集、处理和传输三种功能，他与通信技术和计算机技术共同构成了信息技术的三大支柱^[1]。

当前的无线传感器网络具有诸多类型，且功能十分齐全，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

本文中所列举的是双射频无线传感器网络节点，其节点的总结构设计具有极强的可操作性以及有效性，在实践中各个不同功能的模块所代表的含义和自身的作用有着极大的差异，比如数据采集模块主要是针对其负责监测区域，对区域内一系列的数据进行采集，其主要是通过D S18B20单显数字温度传感器对其进行实质性的操作。在利用该传感器的时候，可以直接给出与温度相符和的数字信号，不仅能够保证数字信号的准确性，而且还能够保证及时性。除此之外，数据处理和控制模块这两个模块主要是对整个传感器的网络节点的数据进行具体操作的有效控制。其中包括同步定位、功耗管理等，这些都是在数据处理操作过程中需要被问题，也是需要引起重视的问题。一般情况下，在针对数据进行处理时，都会利用A V R低功耗处理器，其不仅具有非常低功耗，而且还具有比较丰富的接口资源。无线通信模块在具体构建以及实际应用过程中，其主要是对信息的控制、现场信息的采集、信息的收发等各个环节进行有效控制。为了保证该模块在实际应用过程中的有效性，大多数情况下都会利用n R F24L01和C C1101无线射频芯片对其进行操作。前者主要是通过SPI接口处理器通讯有效连接对其进行草捉，后者则是通过I/O口对S P I口进行模拟，同时与处理器通讯形成对应的连接。电源模块在其中主要是负责对各个模块的稳定运行提供有效的电力支持，一般情况下，无线模块工作电压会控制在3V左右。所以在针对其进行供电操作的时候，可以直接利用USB或者是两节五号干电池对其完成供电操作^[2]。

2.双射频无线传感器网络节点硬件设计分析

为使硬件系统能组成具有不同功能、应用于不同场景的节点，系统硬件采用可剪裁的设计方法，根据需要选择不同的模块组成不同类型的节点。

2.1 数据处理和控制模块的硬件设计

微处理器在某种程度上可以被看作是“指挥中心”，在实践中需要根据双射频无线传感器网络最根本的特点和基本应用需求对其进行分析和研究。在这一基础上，为了保证能够尽可能满足其在运行过程中的一系列需求，在对其型号进行选择时，要尽可能选择一些体积小、功能性强、储存容量大等这几个特点。对市场上比较常见的几款单片机处理器进行对比分析之后，总结出利用ATMEL公司推出的Atmegal28L芯片能够取得良好的应用效果。微处理器在实际应用过程中，其外围的电路数包括复位电路、串口通信电路等，这些都是其在正常运作过程中必不可少的重要组成部分^[3]。

2.2 电源模块设计分析

本文在针对传感器节点供电方式的具体选择和使用上进行分析时，基本上可以分为两种方式。其一是直接利用U S B对其进行供电，而其二则是利用普通干电池对其进行供电操作。一般节点工作时的电压是在3.3V，如果使用U S B五对其进行供电，由于U S B供电电压是I V，所以需要在其中串联一个3.3V的稳压芯片。如果是直接利用干电池对其进行供电操作，由于普通干电池一节电压是1.6V，那么为了保证供电效果就需要将两节干电池串联起来，以满足供电要求。在实践中为了避免元器件出现短路等现象，对电路板造成严重的影响，在电源输出的位置上可以相对应的串联一个500mA的自恢复保险丝。

2.3 数据采集模块设计分析

与市场中一些比较常见的温度传感器相比，本文在设计时，主要是通过美国DALDLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器对其进行实质性的研究和分析。该温度传感器的型号是D S18B20，主要是利用T O-92对其进行封装处理，同时每一个D S1820当中都会包括一个64位长的序号，而这个序号对每一个传感器而言，都是唯一存在。

2.4 无线通信模块设计分析

在对无线通信模块n R F24L01和C C1101进行设计的时候，由于其是无线传感器网络节点对外联系时必不可少的桥梁，所以由无线通信模块直接来接受上级节点所下达的一些控制指令，同时还要保证各项数据在采集和输送过程的稳定性和准确性。由此可以看出，无线通信模块在双射频无线传感器网络节点设计中具有非常重要的影响和作用。

2.5 射频模块

射频模块负责信号收发，是无线传感器网络节点的核心模块。本设计采用了 TI 公司 CC2531 系列带有无线射频 收 发 器 的 单 片 机 作 为 射 频 模 块 的 主 控 和 射 频 芯 片 ，CC2531 作为一款 SOC 芯片只需要很少的外围元件即可搭建一个正常工作的最小系统。CC2531 单片机集成了一个低功耗且高性能的 8051 微控制器和 CC2520 射频收发器，它提供对 IEEE 802.15.4协议 MAC 层的硬件支持，能够自动产生多种类型的帧格式和校验，在 2.4G 频率范围内工作，共有 16 个通信信道，适用于低速率无线通信网络。

3.结束语

无线传感器网络的平稳运行离不开各个节点之间的相互传输和信息交流，随着时代的发展以及技术的革新，无线传感器网络节点的硬件设计也应当符合时代的发展潮流，结合现实需求进行合理的设计，促进各个节点之间的有效通信，提升无线传感器网络的运行效率和质量。

参考文献：

[1] 张博,蔡玲花.双射频无线传感器网络节点硬件设计[J].新型工业化.2019.3(11):21-26.

[2] 余婷婷.基于ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点硬件设计[J].物联网技术.2019.3(07):10-12+15.

[3] 陈林锋.基于SimpliciTI的温室无线传感器网络节点及其通信技术的研究与实现[D].南京农业大学.2018.